Интегральное исчисление - 4 стр.

UptoLike

4 ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ
3) Ещё один пример:
Z
ctg x dx =
Z
cos x dx
sin x
=
Z
d sin x
sin x
= ln|sin x| + c.
4) Вычислим
R
dx
x
2
+a
2
. Положим t =
x
2
+ a
2
+ x. Тогда
x =
t
2
a
2t
,
p
x
2
+ a
2
=
t
2
+ a
2t
, dx =
t
2
+ a
2t
dt.
Поэтому
Z
dx
x
2
+ a
2
=
Z
dt
t
= ln|t| + c = ln|x +
p
x
2
+ a
2
| + c.
Теорема 4 (интегрирование по частям). Для любых дифференцируемых функций f (x) и g(x)
имеют место равенства
Z
f(x)g
(x) dx = f (x)g(x)
Z
g(x)f
(x) dx, (15)
или
Z
f(x) dg(x) = f (x)g(x)
Z
g(x) df(x). (16)
Равенство (15) (или (16), что то же самое) называется правилом интегрирования по частям.
Пример 4. Проиллюстрируем на примерах, как правило интегрирования по частям может ис-
пользоваться при вычислении интегралов.
1) Вычислим
R
ln x dx:
Z
ln x dx = x ln x
Z
x d ln x = x ln x
Z
dx = x(ln x 1) + c.
2) Вычислим
R
arctg x dx:
Z
arctg x dx = x arctg x
Z
x d arctg x = x arctg x
Z
x dx
x
2
+ 1
=
= x arctg x
1
2
Z
dx
2
x
2
+ 1
= x arctg x
1
2
ln(x
2
+ 1) + c.
Аналогичным образом вычисляются
R
arcsin x dx и
R
arccos x dx.
3) Пусть требуется вычислить
R
x cos x dx. Имеем
Z
x cos x dx =
Z
x d sin x = x sin x
Z
sin x dx = x sin x + cos x + c. (17)
Аналогично
Z
x sin x dx =
Z
x d cos x = x cos x +
Z
cos x dx = x cos x + sin x + c. (18)
Похожим образом вычисляется интеграл
R
x
2
cos x dx:
Z
x
2
cos x dx =
Z
x
2
d sin x = x
2
sin x
Z
sin x dx
2
= x
2
sin x 2
Z
x sin x dx.
Но последнее слагаемое уже вычислено в (18). Точно также вычисление
R
x
2
sin x dx сво-
дится интегрированием по частям к (17).
Рассмотрим интегралы
S
n
=
Z
x
n
sin x dx, C
n
=
Z
x
n
cos x dx. (19)
Тогда
S
n
=
Z
x
n
sin x dx =
Z
x
n
d cos x = x
n
cos x + n
Z
x
n1
cos x dx = nC
n1
x
n
cos x
4                                      ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ

     3) Ещё один пример:
                                     cos x dx     d sin x
                       Z                   Z    Z
                          ctg x dx =          =           = ln|sin x| + c.
                                       sin x       sin x
                                       √
     4) Вычислим √xdx
                R
                   2 +a2
                         . Положим t = x2 + a2 + x. Тогда
                                t2 − a     p               t2 + a            t2 + a
                           x=          ,       x2 + a2 =          ,   dx =          dt.
                                  2t                         2t                2t
       Поэтому         Z                   Z
                              dx               dt                     p
                           √        =             = ln|t| + c = ln|x + x2 + a2 | + c.
                             x + a2
                              2                 t
  Теорема 4 (интегрирование по частям). Для любых дифференцируемых функций f (x) и g(x)
имеют место равенства
                        Z                            Z
                          f (x)g (x) dx = f (x)g(x) − g(x)f ′ (x) dx,
                                ′
                                                                                   (15)
или                             Z                                 Z
                                    f (x) dg(x) = f (x)g(x) −         g(x) df (x).              (16)

    Равенство (15) (или (16), что то же самое) называется правилом интегрирования по частям.
  Пример 4. Проиллюстрируем на примерах, как правило интегрирования по частям может ис-
пользоваться при вычислении интегралов.
                  R
   1) Вычислим ln x dx:
                  Z                    Z                     Z
                     ln x dx = x ln x − x d ln x = x ln x − dx = x(ln x − 1) + c.
                  R
   2) Вычислим arctg x dx:
  Z                           Z                          Z
                                                              x dx
    arctg x dx = x arctg x − x d arctg x = x arctg x −              =
                                                             x2 + 1
                                                           1      dx2              1
                                                             Z
                                           = x arctg x −          2
                                                                      = x arctg x − ln(x2 + 1) + c.
                                                           2     x +1              2
                                             R                 R
      Аналогичным образом вычисляютсяR         arcsin x dx и arccos x dx.
   3) Пусть требуется вычислить x cos x dx. Имеем
                Z               Z                     Z
                   x cos x dx = x d sin x = x sin x − sin x dx = x sin x + cos x + c.           (17)

       Аналогично
             Z                 Z                     Z
                x sin x dx = − x d cos x = −x cos x + cos x dx = −x cos x + sin x + c. (18)

       Похожим образом вычисляется интеграл x2 cos x dx:
                                                 R
           Z                Z                      Z                      Z
               2                2         2                2    2
              x cos x dx = x d sin x = x sin x − sin x dx = x sin x − 2 x sin x dx.

       Но последнее слагаемое уже вычислено в (18). Точно также вычисление x2 sin x dx сво-
                                                                                  R
       дится интегрированием по частям к (17).
         Рассмотрим интегралы
                                  Z                     Z
                                     n
                              Sn = x sin x dx,      Cn = xn cos x dx.                  (19)

       Тогда
            Z             Z                        Z
       Sn = x sin x dx = − x d cos x = −x cos x + n xn−1 cos x dx = nCn−1 − xn cos x
              n             n            n